盾构机自动控制技术现状与展望
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摘要：盾构机实现整个施工过程的全自动化是可以让盾构机更加安全和高效的进行施工，现今的盾构机在自动化的程度上已经有了很大的提高，特别是掘进系统和位姿控制上，对于盾构机的导向自动纠偏以及所以子系统的全面协调还需要更深的研究。
关键词：盾构机；土压平衡；掘进系统；协调控制
现代高新技术的应用使得盾构掘进时的地面沉降控制、推进速度控制、测控导向和自动衬砌等变得越来越容易，自动化程度大大提高，但多数施工控制仍需人工操作。所以，本文为使盾构机高精、高效，安全施工，实现整个盾构掘进装备高度的自动化、智能化，最终实现完成了机器数据监控模块的开发，以三维动画的形式实现了盾构机位姿的实时显示等。在该模块的各个子模块中，根据功能需求和数据特点，采用了多样化的数据呈现方法，以期形象地展示信息。
一、盾构机自动控制技术的概念
盾构机主要由盾体、刀盘驱动系统、推进系统、注浆系统、排渣系统、尾部密封系统的组合而成。盾构机自动控制技术是指利用盾构机这种机械挖取地下隧道。盾构机自动控制技术的施工现状是：盾构机自动控制技术几乎不受地形、气候等因素的影响，能够在复杂的环境下工作，这是因为有盾构机的支护，这对于繁华的大城市而言是非常实用的，这样就能够尽量不用破坏原有设施。对于那些施工环境复杂，交通不便的陆地城市，中间不跨越大型水域，并且隧道较长的地方也适用。机械、电气化快速发展，使得盾构机械在施工过程中自动化、智能化，使得施工时间缩减，降低了劳动强度。机械自动化、智能化使得盾构机自动控制技术在挖掘长距离、大直径的的隧道时有非常明显的优势，还有就是地面的人文景观能够得到保护，对其周围的环境影响很小。
二、盾构机自动控制技术前景
建立以密封舱中压力动态的平衡为目标的控制模型，盾构机在掘进时可能会产生地面沉降，这主要使因为密封舱内压力失去平衡，又与缺乏对密封舱压力动态平衡的控制手段，所以还没有形成这方面的实用性控制模型，未来要以密封舱压力动态平衡为目标，建立控制模型，采用先进的控制技术，对密封舱压力实现自动控制，避免出现地面沉降。掘进系统的协调控制，现有的土压平衡盾构机主要是在施工的过程中，根据地面的沉降、密封舱压力变化等对刀盘、排渣等进行单独的调整，在这种情况下所有的子系统都是手工调节，独立工作的。这种调整方式比较落后，为了能够让掘进系统中众多的子系统进行协调统一的控制，就要研究各控制参数与密封舱压力之间的关系和各个子系统之间的联系。实现整个掘进控制系统的统一协调控制。运动轨迹的位姿变化和动态规划，现有的盾构系统运动轨迹在没有详细施工记录的情况下，在复杂的地质情况中很难预测控制盾构系统的位姿，盾构机在位姿控制上没有完成的约束系统对位姿进行控制，所以未来要分析影响盾构机位姿的因素，建立完整的控制模型，实现位姿自动控制的可能。集成和优化控制系统，盾构机的控制系统要将刀盘、推进、排渣、管片拼装等子系统进行集成控制，优化盾构机的掘进性能，提高其节能性。
三、盾构机自动控制技术的现状
（一）掘进系统的自动控制
盾构机的整个掘进系统由推进、刀盘、排渣等子系统构成。科学家集合盾构机掘进的参数和施工要素分析了盾构机压力仓内的压力分布状况。盾构机在掘进系统中的自动控制提高了土压的稳定性能，控制了整个螺旋输送机的转速，使盾构机在土压内达到平衡，根据建立的压力模型，实现了盾构机压力和液压缸的自动控制平衡，实现了盾构机压力和液压缸的自动控制，推进了系统自动控制方式的产生。并且学者们研究了排空控制，提出了PID在排空中的使用。在螺旋输送机的排土上实现了自动控制。
（二）位姿控制
位姿控制是指控制液压缸在推进系统中的应用。专家提出了分而后和的方法针对盾构机在模糊控制器上的設计特点进行控制，使人们可以更方便的调节控制器的性能。将盾构机位姿控制技术应用在盾构机的实际运行中。千斤顶的纠偏控制量通过模糊控制器得出，使整个系统能够在不同的地质中都能够更加平稳的运行。通过建立盾构机在具有荷载的推进过程中模型，对于位姿控制中的各种参数进行了分析，使自动控制技术精确的在位姿控制中发挥。
（三）盾构机管片的自动安装
如果盾构机的管片使用手工安装的话，会存在很多的问题，所以在上个世纪八十年代，日本首先就盾构机管片的自动安装进行了研究，国际上在针对盾构机在隧道中管片的自动安装也设计了一套切实可行的准则。我国对于盾构机管片自动安装的研究配合了盾构机在轴向设计上的特点，选取了每个点位上管片安装的参数，研究出了虚拟的管片自动安装模型，并且纠正了切向路线上的偏离。在国外的某些国家，已经实现了管片的自动安装的控制，利用机器动态模型，全自动的控制了管片的拼装和支护。国外某学者针对盾构机掘进系统中的管片拼装，提出了目标导向控制系统，就是预先设定出管片拼装的目标坐标，然后根据液压执行系统结合机器人的混合动力控制进行计算，得出的最终结果是具有可行性的。
四、结束语
目前，国际先进盾构采用了类似机器人的技术、计算机控制技术、网络远程通信遥控技术、现代传感检测技术、激光导向技术、超前地质探测技术、通信技术等，盾构自动化程度越来越高，保证了城市地下隧道施工的效率和安全性。中国作为世界最大的隧道及地下工程施工市场，市场潜力正在迅速释放。盾构的施工质量与盾构机的姿态控制情况和周围环境有着密切的关系。倘若盾构姿态控制得好，地下沉降和隆起就会小；倘若控制得不好，地表变形就会较大。如何采用高速、先进的隧道施工技术，是摆在工程技术人员面前的一道重要课题。
参考文献：
[1]张云飞.盾构隧道施工中的典型事故分析及控制研究[J].企业文化，2015.
[2]霍元盛.地铁隧道矿山法段的回填掘进施工技术[J].铁道标准设计，2016.